Микро- и нанофлюидика - Основные образовательные программы

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Физико-технический институт
Кафедра микро- и нанотехнологий
ФЕДОРЕЦ А.А.
МИКРО- И НАНОФЛЮИДИКА
Учебно-методический комплекс. Рабочая программа
для студентов направления 28.03.01 «Нанотехнологии и микросистемная техника»,
очная форма обучения
Тюменский государственный университет
2015
Федорец Александр Анатольевич. Микро- и нанофлюидика. Учебно-методический
комплекс. Рабочая программа для студентов направления 28.03.01 «Нанотехнологии и микросистемная техника», очная форма обучения.
Тюмень, 2015, _21_ стр.
Рабочая программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВО с учетом рекомендаций и ПрОП ВО по направлению и профилю подготовки.
Рабочая программа дисциплины «Микро- и нанофлюидика» опубликована на сайте
ТюмГУ: [электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.utmn.ru, раздел «Образовательная
деятельность», свободный.
Рекомендовано к изданию кафедрой микро- и нанотехнологий. Утверждено директором
Физико-технического института.
ОТВЕТСТВЕННЫЙ РЕДАКТОР: Кислицын А.А., заведующий кафедрой микро- и нанотехнологий, д-р. физ.-мат. наук, профессор
© Тюменский государственный университет, 2015.
© Федорец А.А., 2015.
1. Пояснительная записка
1.1. Цели и задачи дисциплины.
Целью дисциплины «Микро- и нанофлюидика» является получение студентами междисциплинарного представления об основных явлениях и процессах, характерных для микро- и наногетерогенных систем, важным компонентом которых являются текучие среды –
флюиды.
Задачи учебного курса:
 изучить основные природные и техногенные объекты, лежащие в сфере интересов междисциплинарного направления микро- и нанофлюидика;
 изучить явления и процессы, связанные со свойствами межфазных поверхностей жидкость/газ и жидкость/жидкость;
 изучить свойства поверхностно-активных веществ и их роль в образовании микро- и
наногетерогенных систем;
 изучить молекулярные и структурные механизмы взаимодействия на межфазных поверхностях жидкость/твердое тело;
 изучить базовые физические процессы, лежащие в основе широкого спектра электрокинетических эффектов и явлений;
 изучить современные методы исследования физико-химических характеристик флюидов
в условиях микро- и наногетерогенных систем;
 изучить современные микрофлюидные устройства и технологии, сферы их применения и
перспективы развития в будущем.
1.2. Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата
Дисциплина «Микро- и нанофлюидика» – это дисциплина, которая входит в основную
часть профессионального цикла.
Для ее успешного изучения необходимы знания и умения, приобретенные (или приобретаемые параллельно) в результате освоения предшествующих общепрофессиональных
дисциплин: «Общая физика», «Математические методы моделирования физических процессов», «Интегральные уравнения и вариационное исчисление», а также некоторых и специальных дисциплин, в частности, «Теория теплофизических свойств веществ», «Физикохимические методы исследования вещества», «Термодинамика и физические свойства наноструктур», физика плазмы, термодинамика и теплофизические свойства наноструктур. Освоение дисциплины «Микро- и нанофлюидика» необходимо при подготовке и написании выпускной квалификационной работы.
Разделы дисциплины и междисциплинарные связи с обеспечиваемыми (последующими) дисциплинами
Таблица 1
п/п
1.
Наименование
№
обеспечиваемых
(последующих)
дисциплин
Дипломный
проект
Темы дисциплины необходимые для изучения обеспечиваемых (последующих) дисциплин
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
1.9
1.10
1.11
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
1.3. Компетенции выпускника ООП бакалавриата, формируемые в результате освоения данной ООП ВПО.
В результате освоения ООП бакалавриата выпускник должен обладать следующими
компетенциями:
– способностью проводить физико-математическое моделирование исследуемых процессов нанотехнологии и объектов нано- и микросистемной техники с использованием современных компьютерных технологий (ПК-1);
– готовностью проводить экспериментальные исследования по синтезу и анализу материалов и компонентов нано- и микросистемной техники (ПК-2);
– готовностью использовать базовое контрольно-измерительное оборудование для
метрологического обеспечения исследований и промышленного производства материалов и
компонентов нано- и микросистемной техники (ПК-9).
1.4. Перечень планируемых результатов обучения по дисциплине:
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
Знать:
– основные природные и техногенные объекты, лежащие в сфере интересов междисциплинарного направления микро- и нанофлюидика;
– явления и процессы, связанные со свойствами межфазных поверхностей жидкость/газ и жидкость/жидкость;
– физико-химические свойства поверхностно-активных веществ и их роль в образовании микро- и наногетерогенных систем;
– молекулярные и структурные механизмы взаимодействия на межфазных поверхностях жидкость/твердое тело;
– современные микрофлюидные устройства и технологии, сферы их применения и
перспективы развития в будущем.
Уметь:
– применять современные методы исследования физико-химических характеристик
флюидов в условиях микро- и наногетерогенных систем;
– применять расчетные формулы при решении задач микро- и нанофлюидики
Владеть:
– навыками работы с многоцелевым анализатором жидкостей «Фотекон».
2. Структура и трудоемкость дисциплины.
Семестр 7 . Форма промежуточной аттестации зачет . Общая трудоемкость дисциплины составляет 5 зачетные единицы, 180 академических часов, из них 91,7 часов, выделенных на контактную работу с преподавателем (из них иные виды работ 1,7 час.), 88,3 часа,
выделенных на самостоятельную работу.
3. Тематический план.
Таблица 2
№
2
1
3
4
5
Самостоятельная работа*
Семинарские
(практические) занятия*
Лабораторные занятия*
Тема
Лекции*
недели семестра
Виды учебной работы и самостоятельная работа, в час.
6
Итого
часов
по теме
7
Итого
количество баллов
8
9
Первый семестр
Модуль 1
1.1.
Объекты исследования микро- нанофлюидики (введение).
1
1
2
2
6
9
1
1.2.
Межфазная поверхность жидкость/газ и
жидкость/жидкость. Статика.
1,2
1
2
4
5
12
8
1.3.
Поверхностно-активные вещества.
3
0,5
1
-
6
7,5
3
1.4.
Тонкие пленки и прослойки. Расклинивающее давление.
3
0,5
1
-
6
7,5
3
1.5.
Испарение и конденсация. Аэрозоли.
3,4
1
2
4
5
12
9
1.6.
Диффузиофорез. Термофорез. Термо- и
диффузионный механизмы осмоса.
5
1
2
-
6
9
3
1.7.
Эффекты Марангони.
5,6
1
2
4
4
11
9
1.8.
Безразмерные числа в межфазной гидродинамике.
7
1
2
-
6
9
3
1.9.
Реология жидких сред. Течение жидкостей в микроканалах.
7,8
1
2
4
5
12
9
1.10.
Коллоидные системы.
9
1
2
-
6
9
3
1.11.
Межфазная граница жидкость/твердое
тело. Краевой угол смачивания.
9,10
1
2
4
5
12
9
10
20
20
60
110
60
Всего
Второй семестр
Модуль 2
2.1.
Физические основы и приборная реализация метода фотеконскопии.
1114
2
4
8
4
18
13
2.2.
Пленки Ленгмюра-Блоджетт.
13
1
2
-
6
9
3
2.3.
Компоненты микрофлюидных устройств
(клапаны, насосы, сенсоры и др.).
14
1
2
-
6
9
3
2.4.
Лаборатория на чипе (lab-on-a-chip).
15
1
2
-
6
9
3
2.5.
Диссипативная структура «капельный
кластер»
1516
2
4
4
4
14
9
2.6.
Технологии на основе диссипативной
структуры «капельный кластер».
1718
1
2
4
4
11
9
Всего
8
16
16
30
70
40
Итого (часов, баллов)
18
36
90
180
0-100
* Самостоятельная работа (включая иные виды контактной работы)
36
4. Виды и формы оценочных средств в период текущего контроля
Итого количество баллов
Информационные
системы и
технологии
Электронный практикум
контрольная
работа
Выполнение
домашнего
задания
Письменные работы
Отчет по лабораторной
работе
Устный опрос
ответ на семинаре
№ темы
собеседование
Таблица 3.
Модуль 1
1.1. Объекты исследования микронанофлюидики (введение).
0
0-1
-1
1.2. Межфазная поверхность жидкость/газ и жидкость/жидкость.
Статика.
0-1
0-1
1.3. Поверхностно-активные вещества.
0-1
0-1
0-1
0-3
1.4. Тонкие пленки и прослойки.
Расклинивающее давление.
0-1
0-1
0-1
0-3
1.5. Испарение и конденсация.
Аэрозоли.
0-1
0-1
0-1
0-9
1.6. Диффузиофорез. Термофорез.
Термо- и диффузионный механизмы осмоса.
0-1
0-1
0-1
0-3
1.7. Эффекты Марангони.
0-1
0-1
0-1
0-9
1.8. Безразмерные числа в межфазной гидродинамике.
0-1
0-1
0-1
0-3
1.9. Реология жидких сред. Течение
жидкостей в микроканалах.
0-1
0-1
0-1
0-9
1.10. Коллоидные системы.
0-1
0-1
0-1
0-3
1.11. Межфазная граница жидкость/твердое тело. Краевой угол
смачивания.
0-1
0-1
0-6
0-1
0-9
Всего
0-11
0-10
0-30
0-9
60
2.1. Физические основы и приборная реализация метода фотеконскопии.
0-1
0-1
0-10
0-1
0-13
2.2. Пленки Ленгмюра-Блоджетт.
0-1
0-1
0-1
0-3
2.3. Компоненты микрофлюидных
устройств (клапаны, насосы, сенсоры и др.).
0-1
0-1
0-1
0-3
2.4. Лаборатория на чипе (lab-on-a-
0-1
0-1
0-1
0-3
0-6
0-6
0-6
0-6
0-8
Модуль 2
chip).
2.5. Диссипативная структура «капельный кластер»
0-1
0-1
0-6
0-1
0-9
2.6. Технологии на основе диссипативной структуры «капельный кластер».
0-1
0-1
0-6
0-1
0-9
Всего
0-6
0-6
0-22
0-6
0-40
Итого
0-17
0-16
0-52
0-15
0-100
5. Содержание дисциплины.
Модуль 1.
Тема 1.1. Объекты исследования микро- нанофлюидики (введение). Основные
наблюдения и понятия. Общая характеристика и классификация физических объектов и процессов, относящихся к междисциплинарной области микро- нанофлюидике.
Тема 1.2. Межфазная поверхность жидкость/газ и жидкость/жидкость. Статика.
Поверхностная энергия жидкостей. Структура поверхностного слоя жидкости. Поверхностное и межфазное натяжение. Закон Юнга. Мениск жидкости. Капиллярный подъём. Методы
измерения поверхностного натяжения.
Тема 1.3. Поверхностно-активные вещества. Поверхностное натяжение растворов
поверхностно-активных веществ и электролитов. Влияние температуры на поверхностное
натяжение. Уравнение Лапласа. Поверхностно-активные вещества (ПАВ). Классификация.
Практические свойства. Агрегация ПАВ.
Тема 1.4. Тонкие пленки и прослойки. Расклинивающее давление. Мыльные
плёнки. Чёрные плёнки. Поверхностные силы и расклинивающее давление. Методы измерения расклинивающего давления.
Тема 1.5. Испарение и конденсация. Аэрозоли. Гомогенная и гетерогенная нуклеация. Классификация ядер конденсации. Конденсационный рост капель. Методы измерения
размеров и концентрации аэрозольных частиц.
Тема 1.6. Диффузиофорез. Термофорез. Термо- и диффузионный механизмы осмоса. Осмотическое давление. Капиллярный осмос. Диффузиофорез. Термоосмос и термофорез.
Тема 1.7. Эффекты Марангони. Основы гидродинамики. Уравнения Навье-Стокса.
Капиллярные и гравитационные волны. Ячейки Бенара. Эффект Плато-Гибса-Марангони.
Течения, обусловленные градиентом поверхностного натяжения.
Тема 1.8. Безразмерные числа в межфазной гидродинамике. Рассматриваются
наиболее часто применяемые в микрофлюидике безразмерные числа: Фурье, Пекле, Нуссельта, Рейнольдса, Прандтля, Грасгофа, Фруда, Струхала, Якоба, Бонда, капиллярности,
Марангони, Кнудсена.
Тема 1.9. Реология жидких сред. Течение жидкостей в микроканалах. Вязкие течения. Теория смазки. Вязкие неустойчивости: вязкие «пальцы» (Тейлора-Саффмана). Инерционные и вязкие эффекты.
Тема 1.10. Коллоидные системы. Устойчивость коллоидов. Коагуляция. Сферические мицеллы. Критическая концентрация мицеллообразования. Форма мицелл. Самосборка.
Пены.
Модуль 2.
Тема 2.1. Межфазная граница жидкость/твердое тело. Краевой угол смачивания.
Уравнение адсорбции Гиббса. Изотермы адсорбции. Гидрофобные и гидрофильные поверхности. Наступающий и отступающий краевой угол. Гистерезис контактного угла. Способы
изменения краевого угла (химическая и физическая модификация поверхностей).
Тема 2.2. Физические основы и приборная реализация метода фотеконскопии.
Фотеконограмма. Режим воздействия. Технические характеристики многоцелевого анализатора жидкостей «Фотекон». Обратная задача фотеконскопии. Классификация режимов измерения. Области применения метода фотеконскопии.
Тема 2.3. Пленки Ленгмюра-Блоджетт. Молекулярные слои Ленгмюра-Блоджетт.
Полиморфизм монослоя. Поверхностное давление. π-А-изотермы. Весы Лангмюра. Перенос
монослоев на твердые подложки. Области применения.
Тема 2.4. Компоненты микрофлюидных устройств (клапаны, насосы, сенсоры и
др.). Проблемы течения и перемешивания в каналах малой толщины. Межфазные транспортные явления. Методы исследований (микро-PIV, AFM/SFA, FCS).
Тема 2.5. Лаборатория на чипе (lab-on-a-chip). Наночастицы и наноструктуры в
аналитических микрочипах. Микрофлюидные чипы для ПЦР. Биосенсоры. Электрофоретическое разделение ДНК на микрофлюидном чипе.
Тема 2.6. Диссипативная структура «капельный кластер». Физические условия,
необходимые для формирования капельного кластера. Процессы тепломассопереноса в капельном кластере.
Тема 2.7. Технологии на основе диссипативной структуры «капельный кластер».
Метод визуализации течений вблизи межфазной поверхности жидкость-газ. Метод сверхточного дозирования растворов лекарственных и биологически активных веществ. Метод
детектирования аэрозольных наночастиц.
5. Темы семинарских занятий.
Модуль 1.
Тема 1.1. Объекты исследования микро- нанофлюидики (введение). (2 часа).
Тема 1.2. Межфазная поверхность жидкость/газ и жидкость/жидкость. Статика.. (2 часа).
Тема 1.3. Поверхностно-активные вещества. (1 час).
Тема 1.4. Тонкие пленки и прослойки. Расклинивающее давление. (1 час).
Тема 1.5. Испарение и конденсация. Аэрозоли. (2 часа).
Тема 1.6. Диффузиофорез. Термофорез. Термо- и диффузионный механизмы осмоса. (2 часа).
Тема 1.7. Эффекты Марангони. (2 часа).
Тема 1.8. Безразмерные числа в межфазной гидродинамике. (2 часа).
Тема 1.9. Реология жидких сред. Течение жидкостей в микроканалах. (2 часа).
Тема 1.10. Коллоидные системы. (2 часа).
Тема 1.11. Межфазная граница жидкость/твердое тело. Краевой угол смачивания. (2 часа).
Модуль 2.
Тема 2.1. Физические основы и приборная реализация метода фотеконскопии. (4 часа).
Тема 2.2. Пленки Ленгмюра-Блоджетт. (2 часа).
Тема 2.3. Компоненты микрофлюидных устройств (клапаны, насосы, сенсоры и др.). (2 часа).
Тема 2.4. Лаборатория на чипе (lab-on-a-chip). (2 часа).
Тема 2.5. Диссипативная структура «капельный кластер». (4 часа).
Тема 2.6. Технологии на основе диссипативной структуры «капельный кластер». (2 часа).
6. Темы лабораторных работ (Лабораторный практикум).
Модуль 1.
Тема 1.1. Капиллярные волны на поверхности тонкого горизонтального слоя жидкости. (4
часа).
Тема 1.2. Диссипативная структура «ячейки Бенара» (4 часа).
Тема 1.3. Термо- и концентрационно-капиллярные течения жидких пленок (4 часа).
Тема 1.4. Термо- и концентрационно-капиллярный дрейф капель и пузырьков в ячейке ХелеШоу (4 часа).
Тема 1.5. Гистерезис краевого угла смачивания (4 часа).
Модуль 2.
Тема 2.1. Основы метода фотеконскопии (8 часов).
Тема 2.2. Диссипативная структура «Капельный кластер» (4 часа).
Тема 2.3. Технические приложения на основе явления «капельный кластер» (4 часа).
7. Примерная тематика курсовых работ
Курсовые работы не предусмотрены учебным планом.
8. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины
Таблица 4.
Модули
№
и темы
Виды СРС
обязательные
дополнительные
Неделя
семестра
Объем
часов
Кол-во
баллов
1
6
0-1
Седьмой семестр
Модуль 1
1.1
Объекты исследования
микро- нанофлюидики
(введение).
1. Работа с учебной
литературой.
2. Выполнение домаш-
Докладпрезентация
него задания
3. Проработка лекций
1.2
Межфазная поверхность
жидкость/газ и жидкость/жидкость. Статика.
1. Работа с учебной
литературой.
1,2
5
0-4
3
6
0-2
3
6
0-2
3,4
5
0-4
5
6
0-2
5,6
4
0-4
7
6
0-2
7,8
5
0-4
9
6
0-2
2. Выполнение домашнего задания.
3. Проработка лекций
1. 3
Поверхностно-активные
вещества.
1. Работа с учебной
литературой.
2. Выполнение домашнего задания.
3. Проработка лекций
1.4
Тонкие пленки и прослойки. Расклинивающее
давление.
1. Работа с учебной
литературой.
2. Выполнение домашнего задания.
3. Проработка лекций
1.5
Испарение и конденсация. Аэрозоли.
1. Работа с учебной
литературой.
2. Выполнение домашнего задания.
3. Проработка лекций
1.6
Диффузиофорез. Термофорез. Термо- и диффузионный механизмы осмоса.
1. Работа с учебной
литературой.
2. Выполнение домашнего задания.
3. Проработка лекций
1.7
Эффекты Марангони.
1. Работа с учебной
литературой.
2. Выполнение домашнего задания.
3. Проработка лекций
1.8
Безразмерные числа в
межфазной гидродинамике.
1. Работа с учебной
литературой.
2. Выполнение домашнего задания.
3. Проработка лекций
1.9
Реология жидких сред.
Течение жидкостей в
микроканалах.
1. Работа с учебной
литературой.
2. Выполнение домашнего задания.
3. Проработка лекций
1.10
Коллоидные системы.
1. Работа с учебной
литературой.
2. Выполнение домашнего задания.
3. Проработка лекций
1.1
Межфазная граница
жидкость/твердое тело.
Краевой угол смачивания.
1. Работа с учебной
литературой.
Докладпрезентация
9,10
5
0-4
60
0-31
11-14
6
0-6
13
5
0-2
14
6
0-2
15
5
0-2
15
4
0-4
17,18
4
0-4
Всего по модулю 2:
30
0-20
ИТОГО:
90
0-51
2. Выполнение домашнего задания.
3. Проработка лекций
Всего по модулю 1:
Модуль 2
2.1
Физические основы и
приборная реализация
метода фотеконскопии.
1. Работа с учебной
литературой.
2. Выполнение домашнего задания.
3. Проработка лекций
2.2
Пленки ЛенгмюраБлоджетт.
1. Работа с учебной
литературой.
2. Выполнение домашнего задания.
3. Проработка лекций
2.3
Компоненты микрофлюидных устройств (клапаны, насосы, сенсоры и
др.).
1. Работа с учебной
литературой.
2. Выполнение домашнего задания.
3. Проработка лекций
2.4
Лаборатория на чипе
(lab-on-a-chip).
Работа с учебной литературой.
2. Выполнение домашнего задания.
3. Проработка лекций
2.5
Диссипативная структура «капельный кластер»
Работа с учебной литературой.
2. Выполнение домашнего задания.
3. Проработка лекций
2.6
Технологии на основе
диссипативной структуры «капельный кластер».
Работа с учебной литературой.
2. Выполнение домашнего задания.
3. Проработка лекций
9. Фонд оценочных средств для проведения промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины (модуля).
В соответствии с приказом от 19 декабря 2013 г. №1367 фонд оценочных средств для проведения промежуточной аттестации по дисциплине (модулю) или практике включает в себя:
9.1. Перечень компетенций с указанием этапов их формирования в процессе освоения
образовательной программы (выдержка из матрицы компетенций):
Способностью проводить физико-математическое моделирование исследуемых процессов нанотехнологии и объектов нано- и микросистемной техники с использованием современных компьютерных технологий (ПК-1);
Готовностью проводить экспериментальные исследования по синтезу и анализу материалов и компонентов нано- и микросистемной техники (ПК-2);
Готовностью использовать базовое контрольно-измерительное оборудование для метрологического обеспечения исследований и промышленного производства материалов и
компонентов нано- и микросистемной техники (ПК-9).
Таблица 5
Выдержка из матрицы компетенций
+
+
ПК-2
+ + +
+
ПК-9
+ +
+
+
+
+
+
+ + +
+
+
+ + +
+ + + + + +
+ + +
+
+
+ + +
+
+
+ +
+
+
+
+
+
Прикладная термодинамика
+
Гидродинамика
+
Методы измерений микро- и наноструктур материалов
ПК-1
Циклы, дисциплины (модули) учебного плана ОП
28.03.01 Нанотехнологии и микросистемная техника,
Фазовые переходы в гетерогенных средах
4 семестр
Дифференциальные уравнения
Оптика
Теоретическая механика
Электричество и магнетизм
Вычислительная физика
Радиофизика
Физические основы микро- и наносистемной техники
Электротехника
Квантовая теория
Механика сплошных сред
Электродинамика
Термодинамические свойства наноструктур
Методы моделирования физических процессов
Физика твердого тела
Методы анализа и контроля нано-структурированных
материалов и систем
Моделирование и проектирование микро- и наносистем
Физико-химические основы процессов микро- и нанотехнологий
Тепломассоперенос
Термодинамика
Физика конденсированного состояния
3 семестр
Молекулярная физика
2 семестр
Математический анализ
Химия
Механика
1 семестр
+
+
+
9.2. Описание показателей и критериев оценивания компетенций на различных этапах их формирования, описание шкал оценивания:
Таблица 6
ПК-1
Код компетенции
Карта компетенций
Формулировка компетенции*
Способностью проводить физикоматематическое моделирование исследуемых процессов
нанотехнологии и
объектов нано- и
микросистемной
техники с использованием современных
компьютерных технологий
Результаты
обучения в
целом**
Знает:
Результаты обучения по уровням освоения материала
минимальный
базовый
повышенный
курс физики и математики, основы
стационарного тепломассообмена,
гидрогазодинамики
курс физики и курс
высшей математики, основы нестационарного тепломассообмена, диф.
уравнения конвекции, гидрогазодинамики
курс физики и основы математического
анализа, стац. и нестац. тепломасообмен, конвекция, микромасштабной гидрогазодинамики, физико-химические методы исследования
веществ
Умеет:
применять знания
об основных проблемах физики в
простых жизненных
ситуациях
применять знания
об основных проблемах физики в
сложных жизненных ситуациях
составлять математические модели физических процессов
Владеет:
навыками работы с
компьютерными
программами для
составления презентаций
технологией использования естественнонаучных
знаний; владеет
разными компью-
компьютерными методами визуализации
процессов
Виды занятий
(лекции, практические, семинарские, лабораторные)
лабораторные
занятия, лекции
Оценочные средства
(тесты, творческие
работы, проекты и
др.)
решение учебных
задач, комплексные ситуационные задания
терными способами
сбора, обработки и
представления информации
ПК-2
Знает:
Готовностью проводить экспериментальные исследования по синтезу и
анализу материалов
и компонентов нанои микросистемной
техники
Умеет:
Владеет:
современные проблемы физики, новейшие достижения
в области экспериментальной гидрогазодинамики и
теплофизики
основные фундаментальные разделы
физики, основы
тепломассообмена и
гидрогазодинамики,
компьютерные технологии
экспериментальные и
теоретические методы изучения процессов тепломассопереноса в гетерогенных
микромасштабных
системах
формулировать и
решать задачи, возникающие в ходе
научноисследовательской
деятельности
выбирать в зависимости от требуемых
целей законы, формы, правила, приемы познавательной
деятельности
мышления;
Модифицировать и
разрабатывать новые
методы, исходя из
задач конкретного
исследования, обрабатывать полученные
данные, представлять лабораторные
итоги проделанной
работы
работы в виде отчетов, рефератов, статей
навыками постановки научноисследовательской
задачи
сбором доступной
информации, представленной в данных различной природы; навыками работы с основными
научными категориями; навыками работы в офисных
компьютерных про-
навыками самостоятельной научноисследовательской
деятельности, требующей широкого
образования в
соответствующем
направлении
отчет по лабораторной работе,
ВКР, курсовая
работа
граммах (Word,
Excel, Power Point и
т.д.)
физические основы,
законы и явления
изучаемого процесса
физические основы,
законы и явления
изучаемого процесса, научные концепции, определяющие современный
уровень знаний
физические основы,
законы и явления
изучаемого процесса,
видит связь данного
явления или процесса с подобными явлениями прикладной
и фундаментальной
физики
использовать знания
для решения профессиональных
научных задач
использовать полученные результаты
эксперимента и анализировать их с известными теоретическими результатами или практическими расчетами
анализировать и интерпретировать полученные результаты
в ходе профессиональной научной деятельности
навыками классификации и обобщения основ, законов и
явлений изучаемого
процесса
навыками проведения эксперимента и
анализом полученных данных
методами проведения качественного и
количественного
анализа; способами
решения научных
проблем
ПК-9
Знает:
Готовностью использовать базовое
контрольноизмерительное оборудование для метрологического обеспечения исследований и промышленного производства
материалов и компонентов нано- и
микросистемной
техники
Умеет:
Владеет:
защита курсовых, дипломных
работ (проектов), выступление на студенческих научных
конференциях
решение научной
проблемы при
написании ВКР,
если та возникла
в ходе написания
диссертации
9.3. Методические материалы, определяющие процедуры оценивания знаний, умений,
навыков и (или) опыта деятельности характеризующих этапы формирования компетенций.
Выполнение лабораторных работ оценивается в виде тестов. Во время учебного семестра
для промежуточной аттестации студент также подготавливает доклад-презентацию по одной
из тем содержания дисциплины (по выбору). Студенты, набравшие 35 баллов, являются допущенными к сдаче зачета.
Зачет проводится в виде собеседования и представления второго доклада-презентации по
одной из тем содержания дисциплины (по выбору). Студенты, набравшие от 35 до 60 баллов, получают не допускаются к экзамену. Студенты, выполнившие учебный план и
набравшие от 61 до 100 баллов, допускаются к экзамену или получают оценку исходя из
набранных баллов.
Примерные вопросы к экзамену
1. Поясните термины «Свободная поверхность» и «Поверхностное натяжение жидкости»?
2. Можно ли считать свободной поверхностью границу раздела двух не смешивающихся жидкостей?
3. Опишите основные свойства капиллярных волн.
4. Поясните физический смысл дилатационного модуля упругости пленки поверхностно-активного вещества.
5. Как зависит коэффициент затухания капиллярных волн от концентрации поверхностно-активного вещества? Объясните поведение этой зависимости.
6. По каким траекториям движутся жидкие частицы при распространении капиллярной волны?
7. Расскажите о методе измерения поверхностного натяжения, основанном на регистрации параметров капиллярных волн.
8. Расскажите историю открытия конвективных ячеек Бенара.
9. Какие механизмы конвективной неустойчивости могут реализовываться в однокомпонентных жидкостях? Если жидкость многокомпонентная?
10. Опишите процессы в горизонтальном слое жидкости со свободной поверхностью,
происходящие по мере повышения температуры дна.
11. Выпишите систему уравнений, описывающую конвекцию Бенара-Марангони?
12. Что такое безразмерное число Марангони? В чем его физический смысл?
13. Какие типы конвективных ячеек Вы знаете?
14. Воспроизведите математическую постановку задачи об одномерном пленочном
термокапиллярном течении.
15. Запишите и прокомментируйте формулы для вычисления скорости пленочных течений термо- и концентрационно-капиллярной природы. В чем их принципиальное отличие?
16. Что такое коэффициент адсорбции и как он влияет на направление пленочных течений?
17. В каких системах может наблюдаться явление, получившее название термоосмос?
Капиллярный осмос?
18. В каких природных процессах наблюдается самопроизвольный дрейф капель и пузырьков, порождаемый свойствами поверхности раздела фаз.
19. Запишите формулу для вычисления скорости термокапиллярного дрейфа пузырька. Какие параметры системы оказывают наиболее сильное влияние на данную скорость.
20. В чем схожесть и в чем отличия термо- и диффузионно-капиллярных механизмов
движения капель и пузырьков.
21. Запишите и прокомментируйте формулу для вычисления скорости концентрационно-капиллярного дрейфа пузырька.
22. Если в жидкости существует градиент концентрации примеси, повышающей поверхностное натяжение, в каком направлении в этом случае будет двигаться газовый пузырек?
23. Поясните термин «диссипативная структура».
24. Какие классические диссипативные структуры Вы знаете?
25. Опишите основные параметры типичного капельного кластера.
26. Перечислите физические механизмы, которые теоретически могут быть ответственны за устойчивость капель к коалесценции.
27. Какие процессы на Ваш взгляд могут давать эффект «мгновенного» исчезновения
участков кластера, включающих десятки и сотни микрокапель?
28. Расскажите о научно-практических приложениях, в которых может найти применение диссипативная структура капельный кластер.
10. Образовательные технологии.
В соответствии с требованиями ФГОС при реализации различных видов учебной работы в процессе изучения дисциплины «Микро- и нанофлюидика» предусматривается использование в учебном процессе следующих активных и интерактивных форм проведения
занятий:
 лекции;
 практические занятия;
 лабораторные занятия.
11. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины (модуля).
11.1. Основная литература:
1. Кислицын А.А., Федорец А.А. Термокапиллярные и концентрационнокапиллярные течения в тонких слоях жидкости. - Тюмень: Издательство Тюменского государственного университета, 2008. - 174 с. АБ(40)
2.
Сумм Б.Д. Основы коллоидной химии. М., И.Ц. «Академия». 2009. - 240 с. АБ(50)
3. Нанотехнологии и специальные материалы: учебное пособие / под ред. Ю.П.
Солнцев. - СПб : Химиздат, 2009. - 336 с.; То же [Электронный ресурс]. - URL:
http://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=98343
________________________________________________________________
11.2. Дополнительная литература:
1.
с. КХ(1)
Сычев, В.В. Сложные термодинамические системы - Москва: МЭИ, 2009. - 296
2.
Федорец А.А. Микрофлюидика. Тепломассоперенос в жидких пленках и каплях: Учебно-методические рекомендации для студентов физического факультета. - Тюмень:
Издательство Тюменского государственного университета, 2008. - 59 с. АБ(70)
3.
Ролдугин В.И. Физикохимия поверхности. - Долгопрудный.: Издательский дом
«Интеллект», 2008. - 568 с. АБ(15)
4.
Суздалев И.П. Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, наноструктур и
наноматериалов. - М.: КомКнига, 2006. - 592 с. АБ(13), КХ(2)
5.
Безуглый Б.А., Чемоданов С.И. Лазерная диагностика жидкостей. - Тюмень.:
Издательство Тюменского государственного университета, 2008. - 144 с. АБ(100)
6.
Ямпольская Г.П.. Поверхностно-активные вещества и полимеры в водных растворах/ пер. с англ. - Москва: Бином. Лаборатория знаний, 2007. - 528 с. КХ(1)
7.
с. КХ(2)
Пригожин И.Р. Неравновесная статистическая механика. – Москва, 2009. - 312
8. Витязь, П.А. Основы нанотехнологий и наноматериалов : учебное пособие / П.А.
Витязь, Н.А. Свидунович. - Минск: Вышэйшая школа, 2010. - 304 с.; То же [Электронный
ресурс]. - URL: http://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=109924.
9. Ханефт, А.В. Основы механики сплошных сред в примерах и задача: учебное пособие, Ч. 1. Гидродинамика / А.В. Ханефт. - Кемерово: Кемеровский государственный университет,
2010.
98
с.;
То
же
[Электронный
ресурс].
URL:
http://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=232317&sr=1.
11.3. Программное обеспечение и Интернет – ресурсы:
1. Альбом течений жидкости и газа. http://www.imec.msu.ru/content/nio/VanDaik
2. Микрофлюидика. http://www.nanometer.ru/2008/12/30/mikrofluidika_55128.html
3. eLIBRARY – Научная электронная библиотека (Москва) http://elibrary.ru/
12. Перечень информационных технологий, используемых при осуществлении образовательного процесса по дисциплине (модулю), включая перечень программного обеспечения и информационных справочных систем (при необходимости).
 Применение мультимедийного оборудования для проведения докладов-презентаций.
 Работа с Интернетом.
 Работа с информационным порталом ИБЦ ТюмГУ.
13. Технические средства и материально-техническое обеспечение дисциплины (модуля).
Лекционная аудитория с мультимедийным оборудованием, лабораторная аудитория,
лабораторная экспериментальная установка «Кластер», многоцелевой анализатор жидкостей
«Фотекон».
14. Методические указания для обучающихся по освоению дисциплины (модуля).
Формирование у студентов способностей и умения самостоятельно добывать знания из
различных источников, систематизировать полученную информацию и эффективно её использовать происходит через участие студентов в лабораторных занятиях. Самостоятельная
работа студентов играет решающую роль в ходе всего учебного процесса.
При подготовке к лабораторным занятиям в течение семестра и зачету студент должен
использовать литературу, рекомендованную преподавателем.
Если в процессе самостоятельной работы над изучением теоретического материала у
студента возникают вопросы, разрешить которые самостоятельно не удается, необходимо
обратиться к преподавателю для получения у него разъяснений или указаний.
Дополнения и изменения в рабочей программе на 201_ / 201_ учебный год
В рабочую программу вносятся следующие изменения:
_______________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________
__
Рабочая программа пересмотрена и одобрена на заседании кафедры ____________________
«
»_______________201 г.
Заведующий кафедрой ___________________/___________________/
Роспись
Ф.И.О.